基于仪表放大器的传感器信号采集电路设计1（可编辑）

基于仪放大器的传感器信号采集电路1（可编辑） 基于仪表放大器的传感器信号采集电路设计 1 引言 传感器及其相关电路被用来测量各种不同的物理特性，例如温度、力、 压力、流量、位置、光强等。这些特性对传感器起激励的作用。传感器的输出经 过调理和处理，以对物理特性提供相应的测量。 数字信号处理是利用计算机或专用的处理设备，以数值计算的方式对 信号进行采集、变换、估计与识别等加工处理，从而达到提取信息和便于应用的 目的。仪表放大 器具有非常优越的特性，能将传感器非常微弱的信号不失真的 放大以便于信号采集。本文介绍在一个智能隔振系统中，传感器数据采集系统具 有非常多的传感器，而 且信号类型都有很大的差别的情况下如何使用仪表放大 器将传感器信号进行调理以符合模数转换器件的工作范围。 2 仪表放大器在传感器信号调理电路中的应用 仪表放大器是一种高增益、直流耦合放大器，他具有差分输入、单端 输出、高输入阻抗和高共模抑制比等特点。差分放大器和仪表放大器所采用的基 础部件 运算放 大器 基本相同，他们在性能上与标准运算放大器有很大的不同。 标准运算放大器是单端器件，其传输函数主要由反馈网络决定;而差分放大器和 仪表放大器在有共 模信号条件下能够放大很微弱的差分信号，因而具有很高的 共模抑制比 CMR 。他们通常不需要外部反馈网络。 仪表放大器是一种具有差分输入和其输出相对于参考端为单端输出的 109 闭环增益单元。输入阻抗呈现为对称阻抗且具有大的数值 通常为 或更大 。 与由接在反 向输入端和输出端之间的外部电阻决定的闭环增益运算放大器不 同，仪表放大器使用了一个与其信号输入端隔离的内部反馈电阻网络。利用加到 两个差分输入端的输 入信号，增益或是从内部预置，或是通过也与信号输 入端 隔离的内部或外部增益电阻器由用户设置。典型仪表放大器的增益设置范围为 1,1000。 仪表放大器的特点: 1 高共模抑制比 共模抑制比 CMRR 则是差模增益 Ad 与共模增益 Ac 之比，即: CMRR 20lg Ad/Ac dB;仪表放大器具有很高的共模抑制比，CMRR 典型值为 70 100dB , 以上。 2 高输入阻抗 要求仪表放大器必须具有极高的输入阻抗，仪表放大器的同相和 反相 109 1012Ω 输入端的阻抗都很高而且相互十分平衡，其典型值为 , 低噪声由于仪 表放大器必须能够处理非常低的输入电压，因此仪表放大器不能把自身的噪声加 到信号上，在1kHz条件下，折合到输入端的输入噪声要求小于10nV/Hz。 3 低线性误差 输入失调和比例系数误差能通过外部的调整来修正，但是线性误差是 器件固有缺陷，他不能由外部调整来消除。一个高质量的仪表放大器典型的线性 误差为0.01%，有的甚至低于0.0001%。 4 低失调电压和失调电压漂移 仪表放大器的失调漂移也由输入和输出两部分组成，输入和输出失调 电压典型值分别为100uV和2mV。 5 低输入偏置电流和失调电流误差 双极型输入运算放大器的基极电流，FET 型输入运算放大器的栅极电 流，这个偏置电流流过不平衡的信号源电阻将产生一个失调误差。双极型输入仪 1 nA~50 pA, FET 表放大器的偏 置电流典型值为 而 输入的仪表放大器在常温下 的偏置电流典型值为50pA。 6 充裕的带宽 仪表放大器为特定的应用提供了足够的带宽，典型的单位增益小信号 带宽在500kHz~4 MHz 之间。具有“”端和“参考”端仪表放大器的独特之处还 在于带有“检测”端和“参考”端，允许远距离检测输出电压而内部电阻压降和地线 压降 IR 的影响可减至最小。 为了有效地工作，要求仪表放大器不仅能放大微伏级信号，而且还能抑制其输入 端的共模信号。这就要求仪表放大器具有很大的共模抑制 CMR :典型的CMR 值为70,100dB。当增益提高时，CMR 通常还能获得改善。 3 电流型传感器数据采集系统结构图 图1示出4,20 mA 电流型传感器的信号如何连接到16 bit Simultaneous ADCAD7656。4,20mA 传感器的信号是单端的。这一开始就提出了需要1只简 单的分流电阻器以便把电流转换成电压加到ADC 的高阻抗模拟输入端。然而， 回路 到传感器 中的任 何线路电阻都会增加与电流相关的失调误差。 因此必须差分地检测该电流。在本系统中，1只24.9Ω的分流电阻器在AD627 的输入端产生介于100mV 对应4mA 输入 与500mV 对应20mA 输入 之间的最 大差分输入电压 在不存在增益电阻器的情况下，AD627把该500mV 输入电压放 大5倍达到2.5V，即ADC 的满度输入电压。4mA 的零点电流对应于代码819，1 LSB对应0.61mV。整个系统逻辑都通过CPLD进行控制并与DSP进行数据交换。 4 低功耗仪表放大器AD627特点及性能 AD627是一种低功耗的仪表放大器。他采用单、双两种电源供电，并可实现 - AD627 85uA 轨 轨输出。 在 的电流下即可正常工作，并具有极佳的交流和直流特 性。AD627采用工业标准8脚封装，引脚排列图如图2所示。 AD627的最大特点是允许用户使用一个外部电阻器来设定增益。AD627的 失调电压、失调漂移、增益误差和增益漂移均较低，因此，AD627可将用户 系 统的直流误差降到最低。由于有较好的高频共模抑制比，AD627可保持最小的高 频误差，也正是因为AD627具有较高的CMRR 特性 可高达200Hz ，从而使得 传输线干扰和传输线谐波等都被排斥掉了。AD627采用真正的仪用放大器结构， 他有两个反馈环。其基本结构和典型的“双运放”仪用放大器 类似，只是细节有 所不同。另外，AD627所具有的一个“电流反馈”结构，使得AD627具有较好的共 AD627 3 A1 V1 R5 模抑制比。 的基本电路见图 所示。其中 与 ， 构成了第一个反馈 回路，通过该回路可在Q1上得到稳定的集电极电流 假设增益设定电阻此时不存 在 。电阻R1和R2组成的反馈环可使A1 的输出电压和反向端电压相等。 通过 A2可形成另一个几乎完全相同的反馈环，他可使Q2的电流和Q1相等，同 时A2 还可提供输出电压。当两个环平衡时，同向 端到VOUT 的增益为5，A1输 出到 VOUT -4 A1 A2 1.25 AD627 的增益为 ， 的反向端增益是 增益的 倍。 差动模式时的 增益为1+R4/R3，额定 值为5。AD627是通过电阻RG 来设定增益的。 G G 5+ 200kΩ/RG AD627 增益 的设定可按下式确定: 可以看出: 的最 小增益为5 RG ?时 ，在其增益精确度为0.05%,0.7%时，应使用0.1%的外部增 益设置电阻以避免全增 益误差的较大衰减。另外，增益设置电阻RG 的选择可 以从标准设置电阻表中选取最接近的值。分并检单双电源供电的轨一轨仪用放大 器AD627比分立元器设计 的放大器具有较好的直流交流性能，并且可以方便的 用外部电阻设定增益，因而是传感器信号检测的较好选择。 5 仪表放大器RFI 抑制电路设计 AD627 RF 微功耗仪表放大器 易受 整流的影响，需要更具鲁棒性的滤波 器。AD627具有低输入级工作电流。简单地增加两个输入电阻器R1a